【技术文章】小型激光三角位移传感器的研制及温度漂移补偿方法
随着现代智能检测技术的发展，对测量精度的要求越来越高，其中非接触式位移测量是一项关键技术。激光三角位移传感器（LTDS）是一种将激光的高方向性和高亮度特性与三角测量原理相结合的测距传感器。它具有应用范围广、范围大、精度高、响应速度快等优点。它广泛应用于许多领域，如空间定位，厚度测量和表面缺陷检测。
与传统的工业测量相比，一些特殊的应用场景提出了更为严峻的挑战和要求。在测量热轧高温工件的形状时，测量装置与工件之间的空间通常是有限的，并且由于工件周围的热场发散，激光在空间中的传播路径会发生畸变，导致测量误差。当通过实时轨距测量监测高速铁路安全时，由于导轨之间的空间狭窄，容易产生高温热，因此测量精度会降低。此外，极端温度影响了航空航天工作场景中的测量稳定性，由于飞机有效载荷容量的限制，需要对传感器进行紧凑的光学系统设计。因此，研制一种既具有小尺寸结构又具有极端温度适应性的LTDS具有重要的应用价值。
为了研究紧凑型设计，世界各地的顶级公司都开发了一系列适用于狭窄空间的LTD。Keyence IL系列（48.5mm×37.9mm×22.6mm尺寸）、Sick ODMini系列（44.4mm×17.8mm×31mm）和Micro Epsilon 1420系列（46mm×30mm×20mm）通过优化光学镜头和定制成像设备实现小型化集成，但成本较高。松下HG-C系列（44mm×20mm×25mm）采用反射镜实现紧凑设计，但开发人员未详细说明设计方法和实施过程。因此，LTDS小型化设计理论模型的建立和实现过程将有利于小尺寸LTDS的推广。
对于极端温度，温度的变化会导致机械硬件变形、光学晶体变形和激光源指向抖动，最终导致激光成像点的空间位置偏移。
为了解决上述问题，来自上海交通大学的NANZhuojiang等人研制了一种小型LTDS，并对极端温度引起的测量误差进行了修正。首先，以具有单反射单元的激光三角光路结构为例，阐述了紧凑设计的实现过程。建立了光路初始结构参数的数学模型，并在Zemax中对参数进行优化，确定最终的结构参数。根据光学结构参数，设计制造了三维机械结构。采用现场可编程门阵列（FPGA）作为微处理器进行高集成度电路设计，并组装了小尺寸LTD。其次，为了提高传感器对极端温度的适应性，建立了基于广义回归神经网络（GRNN）的温度漂移误差补偿模型。最后，通过实验验证了传感器的重复性精度和温度漂移补偿效果，并对不同的补偿方法进行了比较和讨论。图1为反射型光路设计的小型化激光位移传感器模型图和实物图。
图1.传感器的三维机械设计与装配
由于温度漂移引起的传感器测量误差与激光源、成像器件、光学透镜和电路芯片的温度特性密切相关，其影响因素是耦合的、高度非线性的，因此，简单的函数拟合补偿方法难以满足精度要求。为此，我们在高低温室内进行了极端温度实验，并采用实验回归的方法建立了GRNN模型来补偿温度漂移误差。
采用交叉验证法，以传感器位移值X和相应的环境温度T为输入层，以温度漂移误差为输出层，建立了两输入一输出的GRNN模型结构。通过训练得到最终的GRNN模型，并根据温度漂移回归值对测量结果进行修正。
我们提出的小尺寸LTD被放置在高低温室内进行温升试验。高低温室将环境温度从-10℃调节到40℃，温度传感器实时显示室内温度。LTDS固定在底座上，通过移动导轨控制测量工作距离。
首先，建立了GRNN温度漂移补偿模型的训练数据库。考虑到应用的便利性，我们只从一个被测对象（黑色被测对象）收集训练数据。进行5次升温实验，记录传感器测量范围内近端位置和远端位置的测量结果。以0.5℃的环境温度梯度作为采集样品的温度节点。为了消除激光强度波动引起的随机测量误差，我们在每个温度节点采集了20个数据，并以平均值作为最终输出。数据库中有1000组数据，每组数据包括环境温度T、测量值X（选择近端和远端极限位置，各占50%）和校正值ΔX。
此外，还收集了测试数据进行评估。数据收集方法与训练数据库相同，但添加了三个不同的对象（每个对象100组数据），以验证GRNN模型对不同对象的适应性。需要注意的是，在验证模型的准确性和速度时，我们只讨论了黑色测量对象。
补偿前，温度漂移引起的传感器平均测量误差为131.4um。采用温度误差补偿模型对输出进行校正后，平均误差降至4.78um。因此，温度非线性为0.001%F.S./ºC。如图2所示。
图2. 基于GRNN的位移温度漂移及补偿
表1. 类似尺寸的激光位移传感器性能对比
文章最后，作者对不同品牌的小型化激光位移传感器进行的性能参数对比。实验结果表明，该传感器的重复性为±2.3um，温度非线性为0.001%F.S./ºC。
论文标题：Development of a Small Size Laser TriangulationDisplacement Sensor and Temperature Drift Compensation Method